石油天然氣是人類現(xiàn)代文明發(fā)展中不可或缺的資源,在油氣勘探開發(fā)過(guò)程中,應(yīng)變的監(jiān)測(cè)（包含了油氣井的井斜和方位測(cè)量、生產(chǎn)測(cè)井中高溫應(yīng)變監(jiān)測(cè)及高精度壓力檢測(cè)等）可以有效地保障油氣田正常的勘探開發(fā)作業(yè)、提高采收率、提升儲(chǔ)量替代率等。

光纖光柵

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating,FBG）應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)相較于傳統(tǒng)電類應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù),具有抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫高壓、易于組網(wǎng)復(fù)用等優(yōu)勢(shì),克服了電類傳感器存在的諸多限制和難題,贏得了大量關(guān)注和研究,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。另外,由于國(guó)內(nèi)石油勘探開發(fā)工程也正面臨著如高成本、油田高含水、高采出、非常規(guī)油田高占比等諸多嚴(yán)峻問(wèn)題和考驗(yàn),對(duì)新技術(shù)的需求已迫在眉睫,因此研究基于新型FBG的應(yīng)變傳感技術(shù)具有重大意義。

本論文利用飛秒激光結(jié)合相位掩模板技術(shù)在特種光纖中寫制新型FBG,針對(duì)應(yīng)變測(cè)量中的高精度、方向性識(shí)別和多參量測(cè)量等科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用問(wèn)題,重點(diǎn)研制了兩種基于少模光纖的新型FBG彎曲（位移）傳感器;一種基于熔接點(diǎn)集成雙FBG的高溫應(yīng)變傳感器;制作了一種膜片式FBG壓力傳感器,并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量測(cè)試。

論文主要內(nèi)容如下:1.綜述了光纖應(yīng)變傳感技術(shù)及新型FBG矢量應(yīng)變傳感器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,結(jié)合FBG的基本理論,闡述了利用飛秒激光寫制FBG的技術(shù)和方法。介紹了實(shí)驗(yàn)室利用飛秒激光刻寫新型FBG的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方案。

2.提出并優(yōu)化了少模FBG飛秒激光結(jié)合相位掩模板寫制新方法（對(duì)芯寫制和離軸寫制）用于高效激發(fā)耦合模LP01-11,研究了基于少模FBG傳感器的耦合特性和彎曲作用機(jī)理,設(shè)計(jì)制作了兩種基于少模FBG的彎曲（位移）傳感器,且彎曲測(cè)量均利用耦合模LP01-11能量解調(diào)。其中:（1）基于四模對(duì)芯FBG的彎曲（位移）傳感器,以四模光纖作為敏感元件,FBG僅作為反射鏡,耦合模LP01-11能量彎曲響應(yīng)具有良好的線性靈敏度和規(guī)律的方向性響應(yīng)特性,且該傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度同時(shí)測(cè)量;（2）基于兩模離軸FBG的彎曲（位移）傳感器,利用離軸寫制法引入了非圓對(duì)稱FBG結(jié)構(gòu),相比于四模對(duì)芯FBG結(jié)構(gòu),該傳感器彎曲靈敏度更高,方向響應(yīng)特性更好,也能實(shí)現(xiàn)溫度同時(shí)測(cè)量。

3.研制了一種基于光纖熔接點(diǎn)集成雙FBG的高溫應(yīng)變傳感器。利用單模光纖（Single Mode Fiber,SMF）和細(xì)芯光纖（Thin-core Fiber,TCF）纖芯折射率的差異,通過(guò)飛秒激光結(jié)合相位掩模板法,在SMF和TCF熔接點(diǎn)兩側(cè)纖芯區(qū)域刻寫了總長(zhǎng)度僅約為4mm的雙FBG結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了溫度應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)化學(xué)腐蝕TCF進(jìn)一步提高傳感器的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度,并采用高溫退火工藝提高傳感器的熱可靠性和穩(wěn)定性。傳感器溫度和應(yīng)變測(cè)量范圍分別為100℃-800℃、0-1000με,應(yīng)變靈敏度最高可達(dá)到3.25 pm/μ?。了解更多驍銳科技

4.研制了一種基于膜片與FBG相結(jié)合的壓力傳感器。通過(guò)對(duì)傳感器件進(jìn)行整體封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、承壓膜片材料選擇、膜片尺寸優(yōu)化、模擬仿真分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)加工和裝配等,實(shí)現(xiàn)了0-40 Mpa的油壓測(cè)量,基本誤差為0.073%,測(cè)量精度（不確定度/準(zhǔn)確度/最大允許誤差）為0.1級(jí),為高精度FBG壓力傳感器的后續(xù)研制積累了寶貴的資料和經(jīng)驗(yàn)。